스위칭 방식, 다중 접속 프로토콜

스위칭

여러 개의 장치가 있는 경우, 서로 데이터를 주고받게 하기 위해 선으로 연결하는 것.

스위칭의 필요성

모든 장치가 서로 링크로 연결되면 문제가 발생

• 장치가 많아질수록 비용이 많이 듦
• 링크의 대다수는 유휴시간이 많아 효율이 저하

문제점을 해결하기 위해 여러 장치 들을 스위치에 연결되도록 구성

스위치들이 연결되어 큰 규모의 네트워크를 만들 수 있음

스위칭 방식

회선교환 (Circuit Switching)

두 장치 사이에 물리적(논리적) 선을 연결하는 방식.

선을 할당해 주는 방식. 할당한 선을 다른 장치에서 사용할 수 없음. 자원이 연결되어 있는 동안 계속 점유. 일정한 속도를 가진다. 연결을 설정하는데 시간이 소요되며 이후 헤는 지연 시간이 없음. 데이터 전송이 많은 경우 유용

대표적인 예로는 전화망(PSTN)이 이 방식을 사용

메시지 교환 (Message Switching)

Store and forward

• 전달할 메시지 전체를 한 번에 인접 노드로 모두 전달
• 메시지를 수신하면 다음 노드로 메시지 전달

패킷 교환 (Packet Switching)

보내는 메시지가 너무 클 경우 작게 잘라서 보냄. 자른 단위를 패킷이라고 함. 각 패킷의 정보를 저장하는 헤더가 들어감

군집성이 있는 트래픽 전송에 적합.

군집성이란 평소에는 적은 양의 데이터가 들어오다가 특정 시간에 많은 양의 데이터가 한 번에 몰려올 때 군집성이 있다고 한다.

두 장치가 일정한 전송속도를 가지지 않는다.

패킷 교환은 두 가지 방식으로 나누어짐

데이터그램 방식

메시지를 잘라서 보내는 방식. 패킷은 서로 독립적으로 처리되며, 목적지에 순서와 상관없이 도착

목적지만 설정하고 어떤 경로를 통해 가던지, 순서 상관없음

네트워크를 효율적으로 사용할 수 있음

가상회선 방식

기본 동작방식은 회선교환과 동일. 단 패킷단위로 데이터를 전송하기에 경로를 다른 노드와 공유할 수 있음.

연결 설정해야 함. 순서 보장. Lable을 통해 어떤 링크로 데이터를 전송할지를 결정

MPLS (Multi-Protocol Label Switching)

데이터 그램 방식과 가상회선 방식을 합친 방식. 데이터그램 방식의 경우 패킷을 들어왔을 때마다 어떤 쪽으로 보내야 할지 결정하기에 오버헤드가 발생함. 가상회선은 Lable에 의해 경로가 정해져 있으므로 이런 오버헤드가 없음. 즉 빠르다.

• 라우터처럼 동작할 경우 MPLS는 대상 주소를 기반으로 패킷을 전달
• 스위치처럼 동작할 경우 Lable을 기반으로 패킷을 전달

다중접속 (Multiple Access)

여러 시스템이 공통의 링크에 연결된 경우

일반적으로 데이터링크 계층에서 수행

다중 접속을 컨트롤하기 위해 데이터 계층을 2개로 나눔.

• 상위 부계층은 데이터 링크를 제어
• 하위 부계층은 공유 매체의 접근 문제를 해결

무작위 접근 (Random Access)

서로 대등한 관계의 통신을 하며, 한 시스템이 다른 시스템을 통제하지 않음

임의의 시스템이 전송을 위해 시간을 정하지 않음

어떤 시스템이 전송할 차례인지 정하는 규칙이 없음.

여러 시스템이 동시에 데이터를 전송하면 충동(collision)이 가능하며, 해당 프레임은 손상되어 재사용 불가능

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

각 시스템이 데이터를 전송하기 전에 데이터 전송 매체를 누가 사용하고 있나 체크

이용하는 시스템이 없다면 데이터를 전송한다.

충돌을 방지하기 위함이지만 그래도 충돌이 발생하긴 함. (데이터 전송 매체를 두 개의 시스템이 동시에 탐지해서 동시에 데이터를 보내는 경우 등)

이에 더 발전시킨 네트워크 프로토콜이 있다.

CSMA/CD (CMSA with Collision Detection)

기존 CSMA에다 전송 중 충돌이 났는지 안 났는지 체크하는 프로토콜

데이터를 전송한 시스템은 전송의 성공여부를 계속 감시

• 충돌이 감지되면 즉시 전송 중지

CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance)

CSMA/CD의 경우 무선환경에서는 잡음이 많아서 충돌감지를 탐지하는 것이 어려움

그래서 충돌을 회피하고자 하는 기법인 CSMA/CA가 나옴

IFS(InterFrame Space)

채널이 빈 경우라도 바로 보내지 않고 기다림

Contention Window

전송 준비 완효시 임의의 수를 선택하여 그 시간만큼 기다림.

ACK를 받으면 데이터가 성공적으로 보내졌음을 의미, ACK를 받지 못하면 송신 시스템은 데이터가 유실되었다고 판단

통제된 접근 (Controlled Access)

하나의 시스템이 제어국이 되어 다른 시스템들의 전송권한을 제어

동시에 둘 이상의 시스템이 전송을 못하게 함으로써 충돌을 제어

시스템들은 자신의 순서가 돌아오기 전까지 전송 불가

예약 (Reservation)

시스템은 데이터를 송신하기 전에 예약 필요

N개의 시스템은 N개의 예약된 mini slot이 예약 프레임 내부에 존재

폴링 (Polling)

제어 시스템과 송수신 시스템으로 구성

송신 시 제어 시스템에게 알리고, 수신 시 제어 시스템에게 문의

토큰 패싱 (Token Passing)

토큰을 가진 시스템이 데이터를 송신할 권한을 가짐

채널화 (Channelization)

링크를 시간, 주파수, 코드로 나누어서 여러 개의 채널을 만들고 이들을 서로 다른 시스템들이 이용

FDMA

• 사용 가능한 대역폭은 모든 시스템이 공유
• 각 시스템은 할당된 대역을 이용하여 데이터 전송
• 각 대역은 특정 시스템을 위해 예약됨

TDMA

• 단일 주파수 대역 사용
• 주파수를 시간간격으로 분할하여 모든 시스템이 동시에 데이터 전송

CDMA

• 링크가 전체 대역폭을 하나의 채널에서 공유
• 모든 시스템은 시분할 없이 동시에 데이터 송신 가능

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